Jernkatalysatorer gør brintbrændselsceller praktiske

Brintbrændselsceller: Jernkatalysatorer som et platinalternativ

Brint kunne i teorien være det perfekte brændstof for en grøn fremtid: Det kan produceres fra vedvarende elektricitet, udleder ingen forurenende stoffer ved forbrænding, og kræver kun vand som materiale til sin produktion.

Dog har det været udfordrende at producere brint til en tilstrækkeligt lav pris. Alternative systemer, som samtidig produktion af ferskvand, nye brintkatalysatorer, der ikke kræver ædle metaller, eller fotokatalyse, undersøges.

Et andet skridt, der reducerer den kommercielle levedygtighed af brint, er forbrugsstadiet. Når den ikke anvendes i en forbrændingsmotor (lignende en brændstofmotor, men med lavere effektivitet), anvendes brændselsceller, som normalt kræver dyr platin som katalysator.

Dette gør ikke kun brændselsceller dyrere, men kan også hæmme den masseadoption af brint som brændstof, da platin og tilknyttede metaller som palladium er meget sjældne på Jorden, hvilket gør en stigning i deres produktion vanskelig at opnå.

Heldigvis er alternativer på vej, takket være arbejdet fra kinesiske forskere ved mange af landets førende forskningsinstitutioner: Chinese Academy of Sciences, Shenzhen University (Kina), Southeast University (Kina), Tsinghua University, Beijing University of Chemical Technology, City University of Hong Kong og Xiamen University.

De offentliggjorde¹ opdagelsen af en ny jernbaseret katalysator til brændselsceller i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Nature, under titlen “Acidic oxygen reduction by single-atom Fe catalysts on curved supports”.

Hvordan brændselsceller fungerer

De dele af brændselsceller, der genererer elektricitet fra forbruget af brint, er protonudvekslingsmembraner (PEM’er).

Brændselsceller fungerer ved at katalysere omdannelsen af brint (H₂) til protoner (H+ ioner) + elektroner, hvilket skaber en elektrisk strøm. Som nævnt tidligere er denne katalysator traditionelt platin, et dyrt metal.

Kilde: Wikipedia

I stedet har de kinesiske forskere skabt et nyt katalysatordesign, beskrevet som “indre aktivering, ydre beskyttelse”, som baserer sig på simpel jern som katalysator.

Jernbaserede brintkatalysatorer

Udfordringer ved jernkatalysatorer i brændselsceller

Ideen om at bruge en jernkatalysator, som naturligt kan fange ilt (en tendens vi almindeligt kender som “rust”) og binde den til hydrogenionerne, er ikke ny.

Men indtil nu har den været hæmmet af uønskede kemiske reaktioner, især den stærke adsorption af oxygenholdige reaktionsintermediater og demetalliseringen af jernatomer. Så enten bliver jernatomerne “fastklemt” med oxygenrige forbindelser, eller de mister evnen til at fungere som katalysator.

For at stoppe disse uønskede reaktioner skabte forskerne en unik nanostruktur for jernkatalysatoren.

Nanostrukturerede hule jernkatalysatorer

Traditionelle jernkatalysatorer er afhængige af en ydre overflade af grafen- eller kulstofunderstøttelser, hvilket begrænser mængden af jern, der er tilgængelig for de ønskede reaktioner med brint.

I stedet blev metoden at skabe en indre buet overflade med et enkelt-atom jernkatalysatorsite.

Hvert af disse sites er placeret i en nanokonfineret hul flerlaget struktur (HoMS). Disse nano HoMS er spredt over og bundet til et 2D kulstoflag, lignende grafen.

Kilde: Research Gate

De nano hule partikler er omkring 10 nm × 4 nm i størrelse og består af flere skaller, hvor jernatomer er koncentreret på de indre lag med høj densitet. Synchrotron røntgenabsorptionsspektroskopi afslørede, at disse indre Fe-atomer er i en katalytisk aktiv tilstand i 57,9% af tilfældene.

Kilde: Research Gate

Ydelsesforbedringer med jernkatalysatorer

Swipe for at rulle →

Nanostrukturen svækker bindingsstyrken af de oxygenholdige reaktionsintermediater, hvilket fjerner en væsentlig begrænsning for jernbaserede katalysatorer.

Kilde: Research Gate

Den reducerer også produktionshastigheden af hydroxylradikalen (•OH), et meget reaktivt og skadeligt molekyle, som altid kan udgøre et problem i oxygen‑brint reaktioner.

Det endelige resultat er en brændselscelle, der bruger jernkatalysatorer, som er radikalt overlegen i forhold til andre designs, både med hensyn til maksimal effekt tæthed og strømstyrke (røde stjerner nedenfor), med en rekordhøj effekt tæthed på 0,75 W cm⁻² under 1,0 bar H₂‑luft.

Kilde: Research Gate

Dette katalysatordesign er også meget mere holdbart end den tidligere version af jernbaserede katalysatorer og bevarer en effektivitet på 86 % efter mere end 300 timers drift.

Kilde: Research Gate

Konklusion

En brintøkonomi vil kun være mulig, når de økonomiske overvejelser er løst, med letproducerbare katalysatorer, der bygger på rigelige og billige materialer.

I den sammenhæng vil jern, som er et af de mest producerede og billigste metaller på jorden, være en ideel kandidat.

Det betyder også, at den relativt hurtige nedbrydning af effektiviteten over tid (som sandsynligvis stadig kan forbedres i forhold til det første eksperimentelle design) vil være mindre problematisk, og katalysator‑delen af brændselscellen blot kan udskiftes med en ny regelmæssigt, mens den brugte kan genanvendes eller regenereres til sin oprindelige ydeevne.

Investering i brændselscelleteknologi

Plug Power (PLUG ) er en førende inden for grøn brint med fokus på brændselsceller. Virksomheden rapporterer over 72.000 installerede brændselsceller på mere end 300 lokationer, med en stor tilstedeværelse i materialehåndteringsflåder. Især driver deres brændselsceller over 40.000 gaffeltrucks, og omsætningen er steget 8‑fold siden 2013.

Den er også aktiv i opbygning af brintinfrastruktur, såsom brintproduktion, logistik, el‑skala kraftgenerering og leverancer.

Kilde: Plug Power

Virksomheden sigter mod at skalere for at reducere brintproduktionsomkostningerne fra $10/kg til $4/kg, samtidig med at produktionen forøges 14‑fold i 2027. Den bør også erstatte al eksternt indkøbt brint, som ofte blev videresolgt til kunder med tab.

På grund af de massive investeringer i at øge produktionskapaciteten 19‑fold siden 2020 er virksomheden endnu ikke profitabel, men fremskridt i at skaffe sin egen brint bør ændre dette.

Virksomheden ser sine løsninger som enten et direkte mobilitetsbrændstof eller et supplement til elbiler, da brint muliggør en reduktion af belastningen på elnettet under elbilernes spidsbelastningslader, som ikke stemmer overens med produktionsperioderne for vedvarende energi i løbet af dagen.

Kilde: Plug Power

Som en stor producent af brændselsceller vil Plug Power i høj grad drage fordel af en overgang til en brintbaseret økonomi. En billigere brændselscellekatalysator kunne integreres i deres designs og øge adoptionsraten for brintkøretøjer og energilagring i elnettet.

Derfor gør dette Plug Power til en god aktie at satse på i en generel drejning mod brint, med en stigende efterspørgsel efter deres brændselsceller hver gang en billigere metode til at producere, lagre, transportere eller udnytte brint opfindes.

Seneste nyheder og udviklinger om Plug Power Inc (PLUG) aktier

Studie refereret

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. Acidic oxygen reduction by single-atom Fe catalysts on curved supports. Nature 644, 668–675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}